JPS6085372A - Method and device for determining mean frequency by time region system - Google Patents

Method and device for determining mean frequency by time region system

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JPS6085372A
JPS6085372A JP59175261A JP17526184A JPS6085372A JP S6085372 A JPS6085372 A JP S6085372A JP 59175261 A JP59175261 A JP 59175261A JP 17526184 A JP17526184 A JP 17526184A JP S6085372 A JPS6085372 A JP S6085372A
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    • G01P5/241Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by using reflection of acoustical waves, i.e. Doppler-effect
    • G01P5/244Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by using reflection of acoustical waves, i.e. Doppler-effect involving pulsed waves

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の背景] この発明は広範囲の信号対雑音比(S/N比〉に対して
よい性能を持ち、実時間で行なわれる、信号の平均周波
数を推定する方法と装置に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Background of the Invention] The present invention provides a method for estimating the average frequency of a signal that has good performance over a wide range of signal-to-noise ratios and is performed in real time. Regarding equipment.

時間的に変化する信号の平均周波数を正確に決定するこ
とは、例えば信号の平均周波数が標本化する流れの場の
平均速度に対応する様なドツプラ一式超音波速度測定に
おいて望ましいことである。
Accurately determining the average frequency of a time-varying signal is desirable, for example, in Doppler suite ultrasound velocity measurements where the average frequency of the signal corresponds to the average velocity of the flow field being sampled.

この他の用途としては、周波数及び位相変調通信方式及
び音声認識がある。血液の速度を音響式に測定すること
は、ドツプラー効果に基づく。こういう測定で最も大き
な内勤と考えられるのは、雑音のある環境でドツプラー
周波数俯I移を正確に決定することである。この厳しい
条件を充t=−V様な、ドツプラー周波数偏移を決定す
る力iしい時間領域(time domain )方式
を提供りる。
Other applications include frequency and phase modulation communication systems and speech recognition. Acoustic measurement of blood velocity is based on the Doppler effect. Perhaps the greatest chore in such measurements is accurately determining the Doppler frequency gradient I shift in a noisy environment. We provide a powerful time domain method for determining the Doppler frequency shift such that t=-V, which satisfies this strict condition.

第1図はI10アルゴリズムを用いた時間領域処理の従
来の1方式を示す。これはドツプラーI(同相)及びQ
(直角)信号から直接的に平均周波数を取出すので、こ
の名が付けられている。ウルトラソニック・イメージン
グ誌、第2巻第232頁乃至第261頁(1980年7
月号)所載のり、ゲルツベルク及びJ、D、マインドル
の論文「ドツプラー′4A置用のエネルギ・スペクトル
中心点検出器」を参照されたい。この方式はS/N比が
高く周波数が低い場合には、フーリエ変換方式と比肩し
得る結果が1!ノられるが、2つの主な欠点がある。得
られlこ\11均周波数が真実の平均周波数の正弦に従
っC変化し、この為、周波数偏位が大きい揚台には読取
値に誤りが生じる。信号に雑音が存在する11.1、雑
音パワーが分iJi (後述の式(7)のP−12−1
−02)に直接的に現われるが、分子では雉?青が平滑
される。分母に雑音項があることにより、S/N比が1
に近づく時、大きな誤差を招く。フーリエ変1り法は同
様な形を持っており、平均周波数の妥当な推定値を得る
為に、雑音パワーを推定1Jる。
FIG. 1 shows one conventional method of time domain processing using the I10 algorithm. This is Doppler I (in phase) and Q
It is so named because it extracts the average frequency directly from the (orthogonal) signal. Ultrasonic Imaging, Vol. 2, pp. 232-261 (July 1980)
See the article "Energy Spectral Center Point Detector for Doppler '4A" by Nori, Gerzberg and J. D. Meindl, published in 1993. When the S/N ratio is high and the frequency is low, this method can give results comparable to the Fourier transform method! However, there are two main drawbacks. The resulting average frequency varies according to the sine of the true mean frequency, which causes erroneous readings on platforms with large frequency excursions. 11.1 When there is noise in the signal, the noise power is divided by iJi (P-12-1 of equation (7) described later)
-02), but is it a pheasant in the molecule? Blue is smoothed. Due to the noise term in the denominator, the S/N ratio is 1.
When approaching , a large error occurs. The Fourier variation method has a similar form and estimates the noise power by 1J to obtain a reasonable estimate of the average frequency.

[発明の概要] この発明の特定の1実施例では、平均周波数を決定する
改良された時間領域方法は、位相が直角の基準を用いて
時間的に変化づ−る信号を復調し、低域ろ波し、復調信
号を同時に標本化することを含む。I及び0時間サンプ
ルの両方を整数個の周期、典型的には1周期だ(プ近延
させる。遅延さけない時間サンプルと遅延さ゛けた時間
サンプルを乗じ、分子及び分B1として、いずれも雑音
に相関性のない差信号及び和信号を夫々作る。分母は各
サンプルと該サンプルを1周期1こりシフI〜したもの
との積を持っている差43号及び和(+j:’jを独X
’/に低域シ戸波し、後進平均法(backward 
running avcrage process)等
によって平滑して、両方の項の外音を実質的に除去する
。平滑した差信号と31!潰した和信号の比の逆正接か
ら、時間的に変化する18号の平均周波数が導き出され
る。信号相関関数における時間のシフトの為、性能が敗
色される。
SUMMARY OF THE INVENTION In one particular embodiment of the invention, an improved time-domain method for determining average frequency demodulates a time-varying signal using a quadrature-phase criterion and It includes simultaneously filtering and sampling the demodulated signal. Both the I and 0 time samples are extended over an integer number of periods, typically one period. Multiply the non-delayed time sample by the non-delayed time sample as the numerator and the minute B1, both of which are subject to noise. Create an uncorrelated difference signal and a sum signal.The denominator is the product of each sample and the sample shifted by 1 for one cycle, and the sum (+j: 'j is
' / with a low-frequency wave and a backward averaging method (backward average method).
running avcrage process) to substantially remove extraneous sounds in both terms. The smoothed difference signal and 31! From the arc tangent of the ratio of the collapsed sum signal, the time-varying average frequency of No. 18 is derived. Performance suffers because of the time shift in the signal correlation function.

この装置と方法により、tFtlt”+周波数のiE確
な値が得られ、信号対雑音比が良!lrな場合における
周波数領域のフーリエ変換方式と比W−1シ得る結果か
得られ、フーリエ変換が使えない人体OdBより低い信
号対雑音比の場合には、ずっとすぐれた結果が得られる
。平均周波数はスペクトルの平均パワーに対して直線的
である。本発明のアルゴリズムの3番1」の特徴は、平
均周波数を決定する時、ナイキスト周波数J:り高い周
波数に対して自動的に1Ili償することである。
With this device and method, it is possible to obtain an accurate value of tFtlt'' + iE of the frequency, and to obtain a result of the frequency domain Fourier transform method and the ratio W-1 when the signal-to-noise ratio is good!lr. Much better results are obtained for signal-to-noise ratios lower than the human OdB, which cannot be used.The average frequency is linear with respect to the average power of the spectrum.Feature #3 of the algorithm of the present invention is to automatically compensate for frequencies higher than the Nyquist frequency J by 1Ili when determining the average frequency.

血液及び同様な液体の速度を測定する改良された超音波
方法とパルス式ドツプラー装置について詳述し、他の用
途についても述べる。受取ったエコーGj号がベースバ
ンドに適当にコヒーレントに復調され、集束された同相
及び直角ドツプラー信号を、送信Jるパルスの繰返し周
波数で、距離(range )に関連しCゲート作用に
かける。ドツプラー信号の平均周波数が周波数偏移に対
応する。
Improved ultrasound methods and pulsed Doppler devices for measuring velocity in blood and similar fluids are detailed, and other applications are also discussed. The received echoes Gj are suitably coherently demodulated to baseband and the focused in-phase and quadrature Doppler signals are C-gated in relation to range at the repetition frequency of the transmitted J pulses. The average frequency of the Doppler signal corresponds to the frequency deviation.

平均の血液速度が決定され、時間の関数として表示され
る。
The average blood velocity is determined and displayed as a function of time.

[発明の詳細な説明] 基本的なドツプラ一方程式は、成る速度(V )で移動
づる標的から散乱された音響エネルギの周波数偏移(Δ
f)を、入剣波の■もj波数(fo)、伝播媒質内の音
速(C)、及び移動方向と音の伝播方向の間の角度(θ
°)の関数としC次の様に表わす。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The basic Doppler equation describes the frequency deviation (Δ
f), ■ of the entrance wave is j wave number (fo), sound speed in the propagation medium (C), and angle between the direction of movement and the direction of sound propagation (θ
°) and is expressed as follows.

これを書き直すと、ドツプラー速度が次の様に4!7ら
れる。
Rewriting this, the Doppler velocity is increased by 4!7 as follows.

典型的な用途では、Cは判っており、toは便利な様に
選ばれ、θは測定づることが出来る。従って△fを決定
することは、散乱イ41の速度を知ることに相当する。
In a typical application, C is known, to is conveniently chosen, and θ can be measured. Therefore, determining Δf corresponds to knowing the speed of scattering i 41.

この式から粒子く標的)の速度情報を取出す多数の方式
がある。
There are a number of ways to extract particle velocity information from this equation.

こ)では位相コヒーレンス・パルス式ドツプラ一方式を
取上げる。(イメージング様式とドツプラ一様式に共通
の変換器を持つデュプレックス・イメージング方式の一
部分である同様な装置にっいては、第5図を参照された
い)。測定される波形は、発信時刻に対づるザンプル・
パルスの遅延によって決定される一定距離の所で、パル
ス繰返し周波数f、で同時に標本化された1及びQドツ
プラー(g号で構成される。ドツプラー信号を処理する
目的は、この測定信号から粒子又は赤結球の速度情報を
抽出することである。
In this section, we will discuss the phase coherence pulsed Doppler system. (See FIG. 5 for a similar device that is part of a duplex imaging format with a common transducer for both the imaging modality and the Doppler modality). The measured waveform is a sample of the waveform relative to the transmission time.
It consists of 1 and Q Doppler (g) sampled simultaneously at a constant distance determined by the delay of the pulse and at a pulse repetition frequency f. The purpose of processing the Doppler signal is to extract particles or particles from this measurement signal. The purpose is to extract the velocity information of the red head.

測定される速度が周波数偏移に関係しているから、周波
数領域で信号を処理′するのが自然である。
Since the measured velocity is related to the frequency deviation, it is natural to process the signal in the frequency domain.

然し面接的な時間領域方法に成る利点がある。具体的に
云うと、標本化されたドツプラー信号I及びQは複素時
間領域波形の実数及び虚数部分とみな゛りことが出来る
。この波形の瞬時周波数は式(1)のドツプラー・シフ
ト△tに対応する。時間領域波形がパルス繰返し周波数
で標本化されるので、1リーイクルあたり2個のザンブ
ルが帯域が制限された信号を特徴づ【プる最低限である
というナイキストの判断基準により、分解可能な最高周
波数がfr/2に制限される。然し、■及びQ信号の両
方を利用出来るから、シフトの符号が判り、従って式(
2)によって散乱体(標的)の速度の方向が決定される
However, it has the advantage of being an interview-like time-domain method. Specifically, the sampled Doppler signals I and Q can be viewed as the real and imaginary parts of a complex time domain waveform. The instantaneous frequency of this waveform corresponds to the Doppler shift Δt in equation (1). Since the time-domain waveform is sampled at the pulse repetition frequency, the highest resolvable frequency is determined by the Nyquist criterion that two samples per recycle is the minimum that characterizes a band-limited signal. is limited to fr/2. However, since both ■ and Q signals can be used, the sign of the shift is known, and therefore the equation (
2) determines the direction of the velocity of the scatterer (target).

時間領域信号を位相が直角である2つの時間領域信号に
よって表わすことは、復調過程の間に2つの信号が取出
される通信方式では普通のことである。
Representing a time-domain signal by two time-domain signals that are quadrature in phase is common in communication systems where the two signals are extracted during the demodulation process.

f(t )−I (t )+i Q(t ) (3)平
均周波数を決定するアルゴリズムを次に述べる様に導き
出すことは、周波数変調及び位相変調通信方式、音声認
識、ドツプラー超音波速度測定、及び場合によってはそ
の他の用途にも適用することが出来る。この信号の平均
周波数(1) G;L、次の式によって、信号のパワー
・スペクトルS(ω〉が一般にパワー・スペクトルは、
信号のフーリエ変換fをめ、この変換の撮幅を自乗づる
ことにょつ−(1!jられる。(星印は複素共役数を表
わす。)△ △ S(ω)=f* f (5) プランシエセル(plancherel )の定理及び
フーリエ変換の公式を用いて、平均周波数は周波数に対
する積分の代りに、時間積分として表わすことも出来る
。等価な時間積分形式は次の通りである。
f(t)−I(t)+iQ(t) (3) The algorithm for determining the average frequency is derived as described below, based on frequency modulation and phase modulation communication systems, voice recognition, Doppler ultrasonic velocity measurement, It can also be applied to other uses depending on the case. The average frequency of this signal (1) G; L, the power spectrum of the signal S(ω〉) is generally expressed as:
By taking the Fourier transform f of the signal and squaring the width of this transform, we get -(1!j. (The asterisk represents a complex conjugate number.) △ △ S (ω) = f * f (5) Using Plancherel's theorem and the Fourier transform formula, the average frequency can also be expressed as a time integral instead of an integral over frequency.The equivalent time integral form is as follows.

信号を式(3)の1及びQの形で表わせば1、この式の
平均周波数は次の様になる。
If the signal is expressed in the form of 1 and Q in equation (3), the average frequency of this equation is as follows.

これが前に述べたI10アルゴリズムである。パルス式
ドツプラ一方式では、時間信号は連続的ではなく、離散
的に標本化されるデータ信号である。
This is the I10 algorithm mentioned earlier. In the pulsed Doppler system, the time signal is a data signal that is sampled discretely rather than continuously.

式(7)の差の方程式から平均周波数を決定する試みは
成功しなかった。分母にパワーの項があり、この為雑音
が相関性を持ち、この結果S/N比が1に近づくにつれ
て誤差が大きくなる。この他の欠点も確認されている。
Attempts to determine the average frequency from the difference equation in equation (7) were unsuccessful. There is a power term in the denominator, so the noise has a correlation, and as a result, as the S/N ratio approaches 1, the error increases. Other shortcomings have also been identified.

この方法を使ってスペクトルの平均を直接的に決める装
置を表わすハードウェアが第1図に示されている。周波
数変調された連続的な時間的に変化する信号F (t 
)が2つの積形復調器10.11に供給される。これら
の復調器の基準は搬送波を除去する為に互いに対し90
°移相している。復調信号1 (t )及びQ(t)が
低域ろ波器12.13(図中の記号は中心の及び高い周
波数が阻止されることを示している)に通されて、包絡
線を復元し、それが掛算器14.15に供給される。回
路16.17で微分をめて、掛算器に供給する。掛算器
の出力が式(7)の分子に示す交差項である。回路18
で交差項を減算し、その結果を低域ろ波器19に送って
、積分を行なう。復調された同相信号及び直角信号を掛
算器20.21で自乗し、自乗の和を回路22でめるが
、これは式(7)の分母に示す通りであり、それを低域
ろ波器23で積分する。割算器24′C得られた比が平
均周波数ωである。
The hardware representing an apparatus for directly determining the average of a spectrum using this method is shown in FIG. Frequency-modulated continuous time-varying signal F (t
) are fed to two product demodulators 10.11. The standards for these demodulators are 90° relative to each other to remove the carrier.
°There is a phase shift. The demodulated signals 1(t) and Q(t) are passed through a low-pass filter 12.13 (symbols in the figure indicate that center and high frequencies are rejected) to restore the envelope. and is supplied to multipliers 14 and 15. Differentials are obtained in circuits 16 and 17 and supplied to a multiplier. The output of the multiplier is the cross term shown in the numerator of equation (7). circuit 18
The cross term is subtracted at , and the result is sent to a low-pass filter 19 for integration. The demodulated in-phase signal and quadrature signal are squared by multipliers 20 and 21, and the sum of the squares is calculated by circuit 22, as shown in the denominator of equation (7). The unit 23 integrates. The ratio obtained by divider 24'C is the average frequency ω.

この代りに、複索形式で表わすと f (t )−A (t )exp (iθ(t)) 
(8)この場合、式(7)は次の様になる。
Instead, if expressed in a compound form, f(t)−A(t)exp(iθ(t))
(8) In this case, equation (7) becomes as follows.

■及びQで表わした瞬時位相は 位相の微分dθ/’dtにより瞬時周波数ωが判る。The instantaneous phase expressed by ■ and Q is The instantaneous frequency ω can be determined by the phase differential dθ/'dt.

式(10)を微分し、 A2=12+02=P(t )=P (11)を使うと
、に)でI)(t)は瞬時パワーである)式(7)及び
(9)が同一であることを示すのは容易である。
Differentiating Equation (10) and using A2=12+02=P(t)=P (11), we find that (I) (t) is the instantaneous power) Equations (7) and (9) are the same. It is easy to show that there is.

この発明では、信号の平均周波数の1ぐれた決定が出来
る様な形で、式(9)及び(10)を実施する。この実
施は今日まで見過ごされていた数学的な精妙さの認識に
基づく。こういう式を出発点として使うと、標本化され
た信号の平均周波数は である。こ)で八tはサンプルの間の時間(一様である
と仮定する)、iはサンプルの番号、N+1はシンプル
の総数であり、更に である。Δθ1は、計算された2つの位相の差を単にめ
る代りに、解析形式で展開りることが出来る、という認
識によって、J−ぐれた性能が得られる。この時、この
差は次の様になる。
In the present invention, equations (9) and (10) are implemented in such a way that the average frequency of the signal can be determined by one. This implementation is based on the recognition of mathematical sophistication that has been overlooked until now. Using this equation as a starting point, the average frequency of the sampled signal is. where t is the time between samples (assumed to be uniform), i is the number of samples, N+1 is the total number of simples, and further. J-superior performance is obtained by recognizing that Δθ1 can be expanded in analytical form instead of simply taking the difference between the two calculated phases. At this time, the difference will be as follows.

又は It ]+−I +にh Qf −+ この最後の式の分子は、サンプルが有限の同じ時間間隔
であると仮定して、有限差方式を用いて式(7)を実施
した場合と同じであるが、分母はかなり界なっている。
or It ] + − I + to h Qf −+ The numerator of this last equation is the same as when implementing equation (7) using the finite difference method, assuming that the samples are of the same finite time interval. However, the denominator is quite different.

分母は各時間サンプルと該時間リンプルを1周期だリシ
フトしたものとの積を持つ。これは自己相関関数の最初
の起延項であり、パワーではない。その結果、両方の項
(分子は交差項を持っている)の雑音を独立に平滑J゛
ることが出来る。サンプルの遅延時間が雑音の相関時間
より長1プれば、雑音が平滑され、従って信号に対して
減少する。この条件は実際に達成するのが容式(16)
を実施する時は、平均周波数を決定するための時間にわ
たって瞬時パワー1)(t)が比較的一定であることを
利用するのが好ましい。
The denominator has the product of each time sample and the time ripple reshifted by one period. This is the first extension term of the autocorrelation function, not the power. As a result, the noise of both terms (the numerator has a cross term) can be smoothed independently. If the sample delay time is longer than the noise correlation time, the noise is smoothed out and therefore reduced relative to the signal. This condition is actually achieved by the capacity (16)
When implementing, it is preferable to take advantage of the fact that the instantaneous power 1)(t) is relatively constant over time to determine the average frequency.

つまり、次の近似 Δθ1 必−−(17) Δt が有効であるということであり、分子(N)及び分母(
D)の両方を平滑した平滑形式を使うことが出来る。
In other words, the following approximation Δθ1 must−−(17) Δt is valid, and the numerator (N) and denominator (
D) can be used in a smoothed form.

但し N、=く1−α)N+−+ +α(It Q=+ Qt
 It−+ ) <19)Di=(1−α) D+−+
+α(It It−+ 4−Ch Qt−+ ) ’ 
(20)因数αは1より小さく、最適値を呼ぶが、用途
に関係覆る。ドツプラー測定の場合の典型的な値は1/
16乃至1/ 256である。式(19)及び(20)
の移動(running )平均が他の式に川われる和
の代りに使われる。信号の2つの重要な特徴により、S
/N比を著しく改善することが出来る。
However, N,=ku1-α)N+-+ +α(It Q=+Qt
It-+ ) <19) Di=(1-α) D+-+
+α(It It-+ 4-Ch Qt-+)'
(20) The factor α is smaller than 1 and is called the optimal value, but it depends on the application. Typical values for Doppler measurements are 1/
It is 16 to 1/256. Formulas (19) and (20)
The running average of is used in place of the sum that is passed to other equations. Two important characteristics of the signal make S
/N ratio can be significantly improved.

第1に、項1 + Qt−+ −Qt I i−1及び
l1li−1十〇 + Q +−+は、大抵の実際穎用
途では時間に対してゆっくりと変化する。その変化の速
度はI又はQ単独の瞬時周波数よりずっと小さい。従っ
て、平滑にJ、す¥:、置の周波数応答に目立つ程の彩
管を与えることがない。第2に、分母の項は1遅延期間
にd3りる相互相関関数を形成している。相関性のない
雑音では、平滑時間を長くした場合、雑音1nはげ口に
収斂する筈である。
First, the terms 1 + Qt-+ -Qt I i-1 and l1li-10 + Q +-+ vary slowly with respect to time in most practical applications. The rate of change is much smaller than the instantaneous frequency of I or Q alone. Therefore, the frequency response of the J, S\:, position is smooth and does not have a noticeable chromatic effect. Second, the terms in the denominator form a cross-correlation function of d3 over one delay period. In the case of uncorrelated noise, if the smoothing time is increased, the noise should converge to the bald spot.

第2図は式(18)、(19)及び(20)の瞬時周波
数アルゴリズムを使ってスペクトルの平均を決定する為
の信号処理のブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of signal processing for determining the spectral average using the instantaneous frequency algorithms of equations (18), (19), and (20).

これは連続的な時間領域信号と標本化された時間領域信
号に対するものであるが、後者の信号について例示し且
つ説明する。直角位相の基準を持つ復調器10’ 、1
1’及び残留搬送波周波数及びその伯の一層高い高調波
を除く為の低1ilXろ波器12′ 、13′ は、第
1図と同じであってよく、同じ参照数字にダラシを句け
て表わしである。この検出過程の最初の工程は、一般的
に、搬送波を除く為に、信号を復調することである。同
期検波を使うことによって最適の性能が得られる。復調
は直接的にベースバンドにしてもよいしくホモダイン)
又は中間周波数を介してもよい(ヘデロダイン)。P波
して復調同相及び直角信号1 (t )及び(、)(1
)が、標本化回路25.26で選定された速度で標本化
され、この点でディジタル化される。個々の機【ILは
、ディジタル形でも、アナログ形ぐb又はディジタル/
アナログ混成形でも、任意の現イ[の又は将来の技術を
用い−C実現することが出来る。主な要素は遅延動作τ
であり、これが信号の相関関数の時間的な変化により、
性能を改善する。同相及び直角時間サンプルを整数個の
周期だ番)、りfましくは1周期だけ、時間遅延装置2
7.28によってR延さゼる。遅延させた同相リンプル
及びR延させない直角サンプルを掛算器29に送る。こ
れと同じ様に、遅延させた直角サンプル及び遅延させな
い同相リーンプルを掛算器30に送る。この最初の交差
項を第2の交差項から回路31で減算して、雑音に相関
性のない差信号を発生ずる。遅延させた並びに遅延させ
ない同相時間サンプルを第3の掛算器32に送り、政延
さUた並びに遅延させない直角時間サンプルを第4の掛
算器33に送り、これらの積を加n器34で加算して、
雑音に相関性のない和信号を発生ずる。分母は、各時間
サンプルと該時間サンプルを1周期だけシフトしたもの
との積で構成され、従つ−C雑音に相関性がない。
Although this applies to continuous time-domain signals and sampled time-domain signals, the latter signal will be illustrated and described. Demodulator 10', 1 with quadrature reference
The low 1ilX filters 12', 13' for filtering out higher harmonics of the 1' and residual carrier frequencies and their fractions may be the same as in FIG. It is. The first step in this detection process is typically to demodulate the signal to remove the carrier. Optimal performance is obtained by using synchronous detection. Demodulation can be done directly to baseband (homodyne)
Or it may be via an intermediate frequency (hederodyne). P-wave demodulated in-phase and quadrature signals 1(t) and (,)(1
) is sampled at a selected rate in sampling circuits 25, 26 and digitized at this point. Individual machines [IL can be digital, analog, or digital/
Analog hybridization can also be implemented using any current or future technology. The main element is delay operation τ
, and this is due to the temporal change of the signal correlation function,
Improve performance. the in-phase and quadrature time samples in an integer number of periods), preferably by one period; the time delay device 2;
7.28 will extend R. The delayed in-phase ripple and the R-undeferred quadrature samples are sent to multiplier 29. Similarly, the delayed quadrature samples and the undelayed in-phase lean pull are sent to multiplier 30. This first cross term is subtracted from the second cross term in circuit 31 to produce a difference signal uncorrelated to noise. The delayed and undelayed in-phase time samples are sent to a third multiplier 32, the Masanobu and undelayed quadrature time samples are sent to a fourth multiplier 33, and the products are summed in an adder 34. do,
Generates a sum signal with no correlation to noise. The denominator consists of the product of each time sample and the time sample shifted by one period, and therefore the -C noise is uncorrelated.

分子の差信号及び分母の和信号が独立に且つ別々に低域
ろ波され−C1雑音を平滑し、両者から実質的に雑音を
除く。式(19)及び(20)は後進平均法により、分
子及び分母の平滑された項を導き出J。最初に、分子の
古い項に(1−α)を乗じ、新しい項にαを乗じたもの
に加算する。因子αは典型的には1/16乃至1/ 2
56であるが、平均される時間サンプルの数16乃至2
56を表わす。
The numerator difference signal and the denominator sum signal are independently and separately low-pass filtered to smooth the C1 noise and substantially remove noise from both. Equations (19) and (20) derive smoothed terms in the numerator and denominator by the backward averaging method. First, the old term in the numerator is multiplied by (1-α) and added to the new term multiplied by α. Factor α is typically 1/16 to 1/2
56, but the number of time samples to be averaged is 16 to 2
56.

平滑されて実質的に雑音のない差信号及び和信号が割算
器37で割算され、この比の逆正接を決定することによ
り、出力信号、即ち時間的に変化づる信号の平均周波数
5が発生される。逆正接をめることは、標本化より一層
遅い速度で行なうことが出来る。
The smoothed and substantially noise-free difference and sum signals are divided by a divider 37, and by determining the arctangent of this ratio, the average frequency 5 of the output signal, i.e. the time-varying signal, is determined. generated. Determining the arctangent can be done at a much slower rate than sampling.

フーリエ変換によって計算された平均周波数と比較して
、瞬時周波数アルゴリズムの効果の1例が、第3a図乃
至第3e図に示されている。曲線Fはフーリエ変換方式
によって得られた結果であり、平均雑音パワーの補正を
しである。曲線−「はα= 1/64として式(18)
の時間領域アルゴリズムによるものである。比較の為、
曲線「は25単位たりずらしである。各々の図は信号対
雑音比(S/N比)が相異なる場合における実験測定に
よるものであり、S/N比は、夫々24 dB、4dB
、 OdB、 −4dB及ヒ−8dBトL、、IC6S
N比がOdBの時(第3a図)、曲線Fのピークは依然
として識別出来るが、OdBより小さくなると、フーリ
エ変換方式は使えなくなり、実際に最後の曲線F(第3
c図)は直線である。これに対して、この発明の時間領
域方式では、−4dBの信号対肩1音比でも、かなりの
性能が得られ、−8dBです、速度曲線の重要な特徴を
依然として確認Jることが出来る。時間領域アルゴリズ
ムが雑音のある環境でも平均周波数及び速度情報を抽出
出来ることが、この方法の主な利点である。
An example of the effect of the instantaneous frequency algorithm compared to the average frequency calculated by the Fourier transform is shown in Figures 3a-3e. Curve F is the result obtained by the Fourier transform method, and the average noise power has been corrected. Curve - ``is α = 1/64 and formula (18)
It is based on a time domain algorithm. For comparison,
The curve "is shifted by 25 units. Each figure is from experimental measurements with different signal-to-noise ratios (S/N ratios), which are 24 dB and 4 dB, respectively.
, OdB, -4dB and -8dB L, , IC6S
When the N ratio is O dB (Fig. 3a), the peak of curve F is still discernible, but below O dB, the Fourier transform method cannot be used and in fact the last curve F (the third
Figure c) is a straight line. In contrast, the time-domain method of the present invention provides considerable performance even at a signal-to-shoulder ratio of -4 dB, -8 dB, while important features of the velocity curve can still be seen. The main advantage of this method is that the time-domain algorithm can extract average frequency and velocity information even in noisy environments.

このアルゴリズムの第2の特徴は、計算でめた平均周波
数がスペクトルの平均パワーで直線的であることである
。これが第4図に示されている。
The second feature of this algorithm is that the calculated average frequency is linear with the average power of the spectrum. This is shown in FIG.

第4図には2つの周波数ω1及びω2があり、全パワー
はω2及びω1の間で、β−PwJ/Ptとして、比β
で直線的に変化する。平均周波数は必−βω1+(1−
β)ω2で表わされることが判る。
In Fig. 4, there are two frequencies ω1 and ω2, and the total power is between ω2 and ω1, as β-PwJ/Pt, and the ratio β
changes linearly. The average frequency must be −βω1+(1−
It can be seen that it is expressed as β)ω2.

このアルゴリズムの3番目の重要な特徴は、このアルゴ
リズムが、平均周波数を計算する時、ナイキスト周波数
ωNより高い周波数を自動的に補償することが出来るこ
とである。平均周波数を中心とJる瞬時信号のスペクト
ル全体が、ナイキストの区間よりもその幅が小さい区間
内にある限り、こういうことが成立する。これはエイリ
アシング(aliasin(1)が起った時、平均周波
数を決定するのに役立つ。
The third important feature of this algorithm is that it can automatically compensate for frequencies higher than the Nyquist frequency ωN when calculating the average frequency. This holds true as long as the entire spectrum of the instantaneous signal centered around the average frequency lies within an interval whose width is smaller than the Nyquist interval. This helps determine the average frequency when aliasing (aliasin(1)) occurs.

この発明では、周波数変調された時間的に変化する信号
の平均周波数は、ディジタル形でも、アナログ形でも、
或いはディジタル・アナログ混成形でも、ハードウェア
回路により、又は計算機を使うことによってめられる。
In this invention, the average frequency of a frequency-modulated time-varying signal, whether in digital or analog form, is
Alternatively, a digital/analog hybrid method can be obtained by using a hardware circuit or a computer.

ディジタル形ハードウェア装置では、第2図で、遅延時
間は1つ又は更に多くのクロック・サイクル遅延装置に
よって決定することが出来、2つ以上の時間遅延装置を
使うのが有利である。アナログH6では、この遅延は遅
延線によって得られる。標本化データ装置では、COD
、(電荷結合装置)形の装置、パケット・ブリゲート及
び同様な装置を使つ−U、W延を実現すると共に、若干
の信号処理を行なうことが出来る。装置の構成としては
、十分な記憶装置を使って、こういう機能の全部ではな
いにしても、大部分を実現づる為に、インテル8231
△の様な特殊演算用処理チップを使うことが出来る。分
子及び分母の各項の符号と相対的な大きさを試験するこ
とにより、45°以内にある角度区間を識別することに
よって、逆正接をめることが出来る。一旦45°内の引
数が判れば、区分別線形近似を使うことが出来る。
In a digital hardware arrangement, in FIG. 2, the delay time can be determined by one or more clock cycle delay devices, and it is advantageous to use two or more time delay devices. In analog H6, this delay is obtained by a delay line. In the sampling data device, COD
, (charge-coupled device) type devices, packet brigates and similar devices can be used to implement the -U,W extension, as well as to perform some signal processing. The configuration of the device is an Intel 8231 to achieve most, if not all, of these functions with sufficient storage.
A special processing chip such as △ can be used. By testing the sign and relative magnitude of each term in the numerator and denominator, the arctangent can be determined by identifying angular intervals that are within 45 degrees. Once the arguments within 45° are known, a piecewise linear approximation can be used.

第5図のデュプレックス・イメージング装置は実時間の
単一扇形方向きめビーム走査器であり、この中に実時間
で血流速度を測定する為のこの発明の時間領域ドツプラ
ー処理装置が取入れられている。これを簡単に説明する
が、詳しくは米国特許第4,217,909号及び同第
4,155,260号に記載されている。然し、パルス
式ドツプラー装置を別個の装置として構成することが出
来、B−走査イメージング能力を持つデュプレックス装
置の一部分にづ′る必要はないことを承知されICい。
The duplex imaging device of FIG. 5 is a real-time, single fan-directed beam scanner that incorporates the time-domain Doppler processor of the present invention for measuring blood flow velocity in real time. . This will be briefly explained, but is described in detail in US Pat. No. 4,217,909 and US Pat. No. 4,155,260. However, it is recognized that the pulsed Doppler device can be constructed as a separate device and need not be part of a duplex device with B-scan imaging capabilities.

図示の装置は、多数の変換器索子40で構成された共通
の線形変換器配列39を持っており、これらの変換器素
子がパルス駆動装@41によって付勢されて超音波ビー
ム42を形成し、超音波パルスを発信する。ドツプラー
動作様式の間、ビームを走査角度で差し向け、距1i1
tRの所にあって、その中の血流速度を測定する選ばれ
たサンプル容積43に発信された超音波パルスを当てる
。涯延時間の所要%fi度を大幅に下げ、その代りに一
層容易に達成出来る位相集束作用の精度を保ちながら、
良好な横方向の分解能を達成するためのベースバンド信
号処理を特徴とする受信チャンネルの主な部品は、全チ
ャンネルに対する広帯域受信機44、平衡形復調器及び
低域ろ波器45、時間遅延装置46並びに加算器47で
ある。個々の受信チャンネルは並列のI(同相)及びQ
(直角)処理チャンネルを持ち、そこで受信したエロー
信号を電子式に方向ぎ゛めし、動的に集束する。位相が
直角の放出周波数基準を用いて、エコー信号を増幅して
復調し、各々の復調器の出力を低域ン戸波して、包絡線
を残し、その後遅延させる。通路の長さが十分に異なる
場合、コヒーレントな加算の前に、通路の長さの差に比
例する遅延を加える。イメージング動作様式では、加亦
して集束した信号を回路48に加えて合成信号を作る。
The illustrated device has a common linear transducer array 39 made up of a number of transducer elements 40, which transducer elements are energized by a pulse driver @ 41 to form an ultrasound beam 42. and transmits ultrasonic pulses. During the Doppler mode of operation, the beam is directed at a scanning angle and distance 1i1
The transmitted ultrasound pulse impinges on a selected sample volume 43 at tR and measuring the blood flow velocity therein. The required %fi degree of the delay time is significantly reduced, while maintaining the precision of the phase focusing action that can be achieved more easily.
The main components of the receive channel, which features baseband signal processing to achieve good lateral resolution, are a wideband receiver 44 for all channels, a balanced demodulator and low-pass filter 45, and a time delay device. 46 and an adder 47. Each receive channel has parallel I (in-phase) and Q
(orthogonal) processing channels in which the received error signals are electronically directed and dynamically focused. Using a phase quadrature emission frequency reference, the echo signals are amplified and demodulated, and the output of each demodulator is low-frequency waveformed, leaving an envelope that is then delayed. If the path lengths are different enough, add a delay proportional to the path length difference before coherent addition. In the imaging mode of operation, the added and focused signals are applied to circuit 48 to create a composite signal.

この合成信号が、扇形の像を構成する為に陰極線管49
に送られるビデオ−信号である。
This composite signal is sent to the cathode ray tube 49 to form a fan-shaped image.
This is the video signal sent to.

ドツプラー動作様式では、超音波のRFパルスが発信さ
れてサンプル容積43に当たる様に、装置の制御器50
が利用者にJζつで設定され、距離ゲート51を用いて
、所望の深さからのサンプルを標本化すると共に、特定
の位置に於りる速度パターンを検出する。この変換器を
励振する別の特徴は、゛リンプル容積内の動きの速い並
びに遅い血液細胞からの後方散乱されたエコーを種々の
距離の所で適切に標本化することが出来る様にする為に
、繰返し期間が可変であることである。4KH2,8K
 HZ及び16Kl−1zという様に、超音波パルス繰
返し周波数の幾つかの設定値が用意されている。
In the Doppler mode of operation, the instrument's controller 50 causes an RF pulse of ultrasound to be transmitted and impinge on the sample volume 43.
is set by the user as Jζ, and the distance gate 51 is used to sample from a desired depth and detect the velocity pattern at a specific location. Another feature of exciting this transducer is that it allows the backscattered echoes from fast and slow moving blood cells within the rimple volume to be properly sampled at various distances. , the repetition period is variable. 4KH2, 8K
Several settings for the ultrasonic pulse repetition frequency are available, such as Hz and 16Kl-1z.

加τ)されて集束された■及びQ信号が、その合成信号
を発生せずに、直接的にドツプラー装置に供t8される
。距離(又から超音波信号が変換器に戻るのに要づる時
間に対応する、各々の変換器励振朝出から特定の時間後
に、集束された同相及び直角信号Σl及びΣQが標本化
される。距離ゲート51が制御器50によって、サンプ
ル容積から後方散乱されたエコーを受信するのに対応す
る時刻に、比較的短い期間の間聞かれ、1対のアナログ
時間サンプルを並列に抽出する。標本化速)灸がパルス
繰返し周波数によって決定されることが判る。同相及び
直角時間サンプルをディジタル化し、時間領域ドツプラ
ー処理装置52に送り、そこで逆正接アルゴリズムを使
って、時間的に変化Jるドツプラー信号の平均周波数を
導き出す。この後、式(2)から血液の速度が得られる
The added (τ) and focused 2 and Q signals are directly provided to the Doppler device t8 without generating a composite signal thereof. The focused in-phase and quadrature signals ΣI and ΣQ are sampled at a specified time after each transducer excitation start, corresponding to the distance (and the time it takes for the ultrasound signal to return to the transducer). Range gate 51 is listened to by controller 50 for a relatively short period of time at times corresponding to receiving backscattered echoes from the sample volume, extracting a pair of analog time samples in parallel. It can be seen that moxibustion is determined by the pulse repetition frequency. The in-phase and quadrature time samples are digitized and sent to a time-domain Doppler processor 52 where an arctangent algorithm is used to derive the average frequency of the time-varying Doppler signal. After this, the blood velocity is obtained from equation (2).

この超音波装置は、2種類の速度情報に対づるドツプラ
一様式表示装置を持っている。最初に、利用者が実時間
でその変化を観測りることが出来る様に、ドツプラー周
波数がオッシロスコープ53に表示される。ストリップ
チャート記録装置54により、速度対時間の展開を示1
−ハード・コピーが印刷される。平均化した平均速度で
も或いはく変換器の配列に血液の流れが接近し、又はそ
れから遠ざかることに対応して正並びに負の)速良の分
布全体でも表示することが出来る。多重化されたECG
信号が、心臓サイクルの過程の間に起る事象の時間基準
となる。
This ultrasonic device has a Doppler-style display for two types of speed information. First, the Doppler frequency is displayed on the oscilloscope 53 so that the user can observe its changes in real time. A strip chart recording device 54 shows the evolution of velocity versus time.
- A hard copy is printed. Either the averaged average velocity or the entire distribution of velocity (positive and negative) can be displayed as the blood flow approaches or moves away from the transducer array. multiplexed ECG
The signal provides a time reference for events that occur during the course of a cardiac cycle.

時間領域ドツプラー処理装置52は、大抵の実時間周波
数領域フーリエ処理装置と同じ様に、バードウ]−アで
構成Jることが好ましい。この様なパルス式ドツプラー
装置を検問する為、アルゴリズムをラフトウ1アで構成
し゛C1時間領域解析を計算した。プログラムにより逆
正接の引数の分子及び分母の移動平均を目算した。比の
逆正接をめた後、時間に対する計算による位相変化を直
流及び低周波成分を阻止する様に設計された高域ろ波器
の遮断周波数と比較した。それがろ波器の阻止帯域の中
にあれば、簡単なI10近似を使って、位相変化を推定
する。一旦位相変化が計算されたら、それに変換係数を
乗じて速度をめる。このン、I及びQの現在値を貯蔵し
て、新しい遅延さμだ値を形成づる。
The time-domain Doppler processor 52 is preferably implemented in a Birdows configuration, like most real-time frequency-domain Fourier processors. In order to test such a pulsed Doppler device, the algorithm was constructed using Rafter 1A and a time domain analysis of C1 was calculated. The program calculated the moving average of the numerator and denominator of the arctangent argument. After determining the arctangent of the ratio, the calculated phase change with respect to time was compared to the cutoff frequency of a high pass filter designed to reject direct current and low frequency components. If it is within the stopband of the filter, a simple I10 approximation is used to estimate the phase change. Once the phase change is calculated, it is multiplied by a conversion factor to give the velocity. The current values of I and Q are stored to form a new value of delay μ.

この方法を用いた時の瞬時平均周波数を決定するのが容
易であることにより、スペクトル線推定に関連した他の
信号処理の特徴を使うことが出来る様になった。その1
番目は時間−周波数ヒストグラムである。多くの用途で
は、実際のスペクトルの推定が希望される。これはフー
リエ変換を使って行なうのが普通である。時間領域方式
を拡張Jることにより、瞬時周波数にス・jりる瞬時パ
ワーのヒストグラムを形成づることによって、近似的な
スペクトル分布をめることが出来る。2番目の特徴は、
■及びQの複−14器の不平衡の補正に関することであ
る。ドツプラー装置及びこの他の直角位相復調装置では
、装置の最終的41粕度は、1及びQ復調器の平衡の精
度の影響を受ける。検波器を多重化J−る新しい方式が
開発された。
The ease of determining the instantaneous mean frequency using this method allows the use of other signal processing features related to spectral line estimation. Part 1
The second is a time-frequency histogram. In many applications, estimation of the actual spectrum is desired. This is usually done using a Fourier transform. By extending the time domain method, an approximate spectral distribution can be obtained by forming a histogram of instantaneous power relative to instantaneous frequency. The second feature is
This concerns the correction of unbalance of the duplexer (1) and Q (14). In Doppler and other quadrature demodulators, the final 41 degree of precision of the device is affected by the accuracy of the balance of the 1 and Q demodulators. A new scheme for multiplexing detectors has been developed.

時間的に変化づる信号の平均周波数を決定するこの方法
の別の用途として、周波数変調及び位相変調通信方式及
び音声認識がある。この通信方式の場合、平均周波数回
路をF M検波器として利用する。これから得られる出
力が、1j0送波の変調信号を復元する。音声認識では
、測定された平均周波数が、搬送波に印加した情報(音
声)信号であり、音声の平均ピッチを表わJ。音声1−
ラックを標本化してディジタル化し、時間領域アルゴリ
ズムを使って平均周波数を取出し、それから音声のビッ
ヂをME認ターる。
Other applications of this method for determining the average frequency of time-varying signals include frequency modulation and phase modulation communication systems and speech recognition. In this communication system, an average frequency circuit is used as an FM detector. The output obtained from this restores the modulated signal of the 1j0 transmission. In speech recognition, the measured average frequency is the information (speech) signal applied to a carrier wave and represents the average pitch of the speech. Audio 1-
The rack is sampled and digitized, a time domain algorithm is used to extract the average frequency, and then the audio bits are medicated.

まとめて云えば、この時間領域方式のずぐれた性能と実
施の容易さは、時間領域信号処理に有利である。この装
置は、古典的なフーリエ変換方式に較べて、雑音のある
環境に対処する能力がよくなると只に、一層安いコスト
で一層よい性能が得られるという利点がある。
In summary, the superior performance and ease of implementation of this time-domain scheme is advantageous for time-domain signal processing. This device has the advantage over classical Fourier transform schemes of better performance at lower cost, as well as better ability to cope with noisy environments.

この発明を好ましい実施例について具体的に図示し11
つ説明したが、当業者であれば、この発明の範囲内で種
々の変更が可能であることは云うまでもない。
This invention will be specifically illustrated with reference to preferred embodiments.
However, it goes without saying that those skilled in the art can make various modifications within the scope of the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はI10アルゴリズムを用いてスペクトルの平均
値を決定する為の従来の信号処理を示す1[lツク図、
第2図は瞬時周波数アルゴリズムを使って、平均周波数
を時間領域で決定づる改良された方式を実施した装置を
表ねずブロック図、第3a図乃至第3e図は、(a )
 S/N−24dB、(b ) S/N=4 dB、(
c ) S/N=OdB。 (d ) S/N=−4dB 及び (0) S/N 
−−8d13の種々の信号対雑盲比に対し、時間領域及
び周波数領域の信号処理を用いたパルス式速度測定値を
示すグラフ、第4図は相対的なパワーは異なるが、全パ
ワーが一定である場合の2つのスペクトル線に対する逆
正接アルゴリズムの周波数応答を示すグラフ、第5図は
この発明の時間領域ドツプラー処理装置を取入れたデュ
プレックス超音波イメージング装置の簡略ブロック図で
ある。 く主な符号の説明) 10’ 、 11’ :復調器、 12’ 、 13’ 、 35.36:低域1波器、2
5、26:標本化回路、 27、28:遅延回路、 29、30.32.33: 11)算器、31:減算器
、 34:加算器、 37:割算器、 38:逆正接回路。 崎61(ぜ) 時間(勃ン 時間C朽)
Figure 1 shows conventional signal processing for determining the average value of a spectrum using the I10 algorithm.
Figure 2 is a block diagram of a device implementing an improved method for determining the average frequency in the time domain using an instantaneous frequency algorithm, and Figures 3a to 3e are (a)
S/N-24 dB, (b) S/N=4 dB, (
c) S/N=OdB. (d) S/N=-4dB and (0) S/N
--Graph showing pulsed velocity measurements using time-domain and frequency-domain signal processing for various signal-to-noise ratios of 8d13; Figure 4 shows different relative powers but constant total power. FIG. 5 is a simplified block diagram of a duplex ultrasound imaging system incorporating the time-domain Doppler processing system of the present invention. (Explanation of main codes) 10', 11': Demodulator, 12', 13', 35.36: Low-frequency single wave generator, 2
5, 26: Sampling circuit, 27, 28: Delay circuit, 29, 30.32.33: 11) Multiplier, 31: Subtractor, 34: Adder, 37: Divider, 38: Arctangent circuit. Saki 61 (Ze) Time (erect time C rot)

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)時間領域方式を用いてOdBの上下の信号対雑音比
で平均周波数を決定する方法に於て、時間的に変化する
信号を復調しr波して復調同相及び直角信号を発生し、
これらの両方の信号を同じ徂だけ同時に遅延させ、遅延
させない並びに遅延ざ゛せた同相及び直角信号を乗じて
、それぞれaE音の相関性がない差及び和信号項を作り
、前記差及び和信号項を別々に低域ン戸波して両方の項
の雑音を平滑して実質的に除去し、平滑して比較的雑音
がない差及び和信号の比の逆正接を決定することにより
、前記時間的に変化する信号の平均周波数を表わす出力
信号を取出す工程から成る方法。 2、特許請求の範囲1)に記載した方法に於て、前記復
調信号が、ベースバンドへのホモダイン復調、並びに残
留搬送波周波数及びその仙の高調波を除去する為の低域
−波によって発生される方法。 号を乗じ、遅延さけた直角信号及び1llEさせない同
相信号を乗じ、それらの積を減算して前記差信号゛を作
り、前記遅延させた及び遅延させない同相信号を乗じ、
前記遅延させた及び遅延させない直角信号を乗じ、それ
らの積を加締して前記和信号を形成する方法。 4)時間領域方式により広範囲の信号対雑音比を持つ周
波数変調された時間的に変化する信号の平均周波数を決
定する方法に於て、直角位相基準を用いて前記時間的に
変化する信号を復調し、選定された周期で復調信号を標
本化して同相及び直角サンプルを作り、前記同相及び直
角サンプルを整数個の周期だり遅延さゼ、遅延させた同
相サンプルには遅延させない直角サンプルを乗すると共
に遅延させた直角サンプルは遅延させない同相リンプル
を乗じ、夫々の積を減算して差(M号を発生し、前記遅
延させた及び遅延させない同相υンブルを乗すると共に
、遅延させた及び遅延ざゼない直角サンプルを乗じ、そ
れらの積を加算して雑音に相関性のない和信号を作り、
前記差信号及び和信号を別々に低域ろ波して、両者の雑
音を平滑しC実質的に減少し、差信号を和信号で除し、
こうして形成された化の逆正接から前記時間的に変化す
る信号の平均周波数を導き出す工程から成る方法。 5)特許請求の範囲4)に記載した方法に於−C1前記
時間サンプルが全て1周期だけ遅延される方法。 6)特許請求の範囲4)に記載した方法に於て、前記差
信号及び和信号をろ波して後進平均法によって平滑Jる
方法。 7)超音波を用い°C血液及び同様な液体の流れの速度
を測定する方法に於て、超音波パルスを発生して選ばれ
たサンプル容積を走査し、エコー信号を受取り、位相が
直角の放出周波数基準を用いC該エコー信号を復調して
、集束同相及び直角ドツプラー信号を発生する様に処理
し、毎回のパルス発信の後のドツプラー信号を距離ゲー
トにより、その周期がパルス繰返し周波数によって決定
される同相及び直角サンプルを抽出し、前記同相及び直
角サンプルを少なくとも1周期だ【フ亙延させ、同相サ
ンプルに遅延さけない直角サンプルを乗すると共に直角
サンプルに存置さUない同相サンプルを乗じ、夫々の積
を減算して差信号サンプルを作り、遅延させた並びに遅
延さけない同相時間サンプルを乗すると共に、遅延させ
/j並びに遅延させない直角時間サンプルを乗じ、それ
らの積を加算して雑音が相関性を持たない和信号サンプ
ルを作り、前記差信号及び和信号を別々に低域ろ波して
両者の雑音を平滑して実質的に減少させ、平滑した差信
号と平滑した和信号の比の逆正接からドツプラー信号の
平均周波数、従っC周波数偏移を導き出し、平均血液速
度を決定し、時間の関数として速度を表示する工程から
成る方法、。 8)特許請求の範囲7)に記載した方法に於て、前記差
信号及び和信号をろ波して後進平均法により平滑する方
法。 9)特許請求の範囲8)に記載した方法に於てドツプラ
ー周波数偏移及び血液速度を実時間で決定する方法。 10)時間領域方式によって平均周波数を推定する装置
に於て、時間的に変化する信号を復調すると共に低域ろ
波して復調同相、及び直角信号を作る手段と、選定され
た周波数で前記復調信号を同時にゼ:;本化して同相及
び直角時間ラナンブルを抽出Jる手段と、OdBの上下
の信号対雑音比で前記時間的に変化する信号の平均周波
数を決定する手段とをイjし、該平均)も1波数決定手
段は、前記時間リンプルを遅延ざUる手段、遅延さけな
いサンプル及び遅延させたサンプルを乗じて、それぞれ
雑音に相関性のない差信号及び和信号を発生する手段、
該差信号及び和信号を別々に平滑して相関性のない雑音
を実質的に除去する手段、及び平滑した差信号と平滑し
た和信号の比の逆正接を取出ず手段を含んでいる装置。 11)特許請求の範囲10)に記載した装置に於て、前
記遅延させる手段がサンプルの間の1周期だけ時間サン
プルを同時に遅延させ、前記平滑する手段が移動平均−
飯器で構成されている装置。 12)血液及び同様な液体の速度を測定する超音波装置
に於(、選ばれたサンプル容積を走査づる為に超音波パ
ルスを発信Jると共に、エコーを受取る手段と、位相が
直角の放出周波数基準を用いてエコー信号をベースバン
ドにニコヒーレン1〜に復調すると共に、集束並びに加
算しC同相及び直角の時間的に変化するドツプラー信号
を発生ずる手段と、パルスの発イiの後、前記ドツプラ
ー信号を同時にゲートして、サンプル容積から後方散乱
されたエコーを表わす同相及び直角時間サンプル1、及
びQ、を抽出するゲート手段と、遅延させた時間サンプ
ル11−1及びQ t −+ を発生ずると共に、相関
性のない雑音を平滑して略全部を除ムリ−る様に、遅延
させないサンプル11及びQl と遅延させたサンプル
を処理りることにより、良好な信号対雑音比及び良好で
ない信号対雑音比で、実時間で、前記時間的に変化する
信号の平均周波数乙、従って周波数偏移を決定する手段
と、平均血液速度を取出ずど共に、時間の関数として速
度を表示する手段とを有する超音波装置。 13)特許請求の範囲12)に記載した超音波装置に於
て、前記平均周波数を決定する手段が、Δ℃をサンプル
の間の期間、iを時間サンプルの番号、Nを分子、Dを
分母、αを1より小さい数とし、 N1=(1−α)Nニー++α(1: Qt−+ Qt
 1+−+ )DI=(1−α) Dニーt+α(1:
 It−+ +Q+ Qt−4)とし−0次の時間領域
アルゴリズム を実施する超音波装置。 14)特許請求の範囲13)に記載した超音波装置に於
て、前記ゲート手段がパルス繰返し周波数で時間サンプ
ルを抽出し、平均周波数を決定する手段がリーンプルの
間のI FJI間だけ、サンプルを遅延さUる手段を含
む超音波装置。
[Claims] 1) In a method of determining the average frequency using a signal-to-noise ratio above and below OdB using a time domain method, a time-varying signal is demodulated and r-wave demodulated in-phase and quadrature generate a signal,
Both these signals are simultaneously delayed by the same extent and multiplied by the undelayed and delayed in-phase and quadrature signals to create uncorrelated difference and sum signal terms of the aE tone, respectively, and the difference and sum signals are The time period is determined by subtracting the terms separately to substantially remove the noise in both terms and determining the arctangent of the ratio of the smoothed and relatively noiseless difference and sum signals. a method comprising the step of obtaining an output signal representative of the average frequency of a signal that varies over time. 2. In the method described in claim 1), the demodulated signal is generated by homodyne demodulation to the baseband and a low frequency wave for removing the residual carrier frequency and its higher harmonics. How to do it. multiply by the delayed quadrature signal and the undelayed in-phase signal, subtract the products to produce the difference signal, and multiply by the delayed and undelayed in-phase signals;
A method of multiplying the delayed and non-delayed quadrature signals and consolidating their products to form the sum signal. 4) Demodulating the time-varying signal using a quadrature reference in a method for determining the average frequency of a frequency-modulated time-varying signal having a wide range of signal-to-noise ratios in a time-domain manner. sample the demodulated signal at a selected period to produce in-phase and quadrature samples, multiply the in-phase and quadrature samples by an integer number of periods or delays, and multiply the delayed in-phase samples by undelayed quadrature samples; The delayed quadrature sample is multiplied by the undelayed in-phase ripple and the respective products are subtracted to generate the difference (M), multiplied by the delayed and undelayed in-phase ripple and the delayed and delayed Multiply the quadrature samples without correlation and add the products to create a sum signal that is uncorrelated with the noise.
low-pass filtering the difference signal and the sum signal separately to smooth and substantially reduce the noise in both, and dividing the difference signal by the sum signal;
A method comprising the step of deriving the average frequency of said time-varying signal from the arctangent of the thus formed. 5) A method according to claim 4) in which - C1 said time samples are all delayed by one period. 6) A method according to claim 4, in which the difference signal and the sum signal are filtered and smoothed by backward averaging. 7) In a method of measuring the velocity of the flow of blood and similar liquids using ultrasound, an ultrasound pulse is generated to scan a selected sample volume, the echo signals are received, and the phase is quadrature. Demodulating the echo signal using an emission frequency reference and processing it to generate a focused in-phase and quadrature Doppler signal, distance gating the Doppler signal after each pulse transmission, the period of which is determined by the pulse repetition frequency. extracting in-phase and quadrature samples, extending the in-phase and quadrature samples for at least one period, multiplying the in-phase samples by the quadrature samples without delay, and multiplying the quadrature samples by the missing in-phase samples; The respective products are subtracted to form a difference signal sample, multiplied by the delayed and undelayed in-phase time samples, multiplied by the delayed /j and undelayed quadrature time samples, and the products are added to eliminate the noise. Create uncorrelated sum signal samples, low-pass filter the difference signal and the sum signal separately to smooth and substantially reduce the noise in both, and calculate the ratio of the smoothed difference signal to the smoothed sum signal. A method comprising the steps of deriving the average frequency of the Doppler signal, and hence the C frequency deviation, from the arctangent of C, determining the average blood velocity, and displaying the velocity as a function of time. 8) A method according to claim 7, in which the difference signal and the sum signal are filtered and smoothed by backward averaging. 9) A method for determining Doppler frequency shift and blood velocity in real time in the method according to claim 8). 10) In an apparatus for estimating an average frequency using a time domain method, means for demodulating a temporally varying signal and low-pass filtering it to generate a demodulated in-phase and quadrature signal, and a means for demodulating the signal at a selected frequency. means for simultaneously converting the signals to extract in-phase and quadrature temporal randomization; and means for determining the average frequency of the temporally varying signal at a signal-to-noise ratio above and below OdB; The average wave number determining means is means for delaying the time ripple, means for multiplying the sample without delay and the delayed sample to generate a difference signal and a sum signal, respectively, which are uncorrelated with noise;
Apparatus including means for separately smoothing the difference signal and the sum signal to substantially remove uncorrelated noise, and means for taking the arctangent of the ratio of the smoothed difference signal to the smoothed sum signal. 11) The apparatus according to claim 10, wherein the delaying means simultaneously delays the time samples by one period between samples, and the smoothing means comprises a moving average -
A device consisting of a rice bowl. 12) In an ultrasonic device for measuring the velocity of blood and similar liquids, a means for transmitting ultrasonic pulses and receiving echoes to scan a selected sample volume, and an emission frequency orthogonal in phase. means for demodulating the echo signal to baseband using a reference and focusing and summing to generate an in-phase and quadrature time-varying Doppler signal; gating means for simultaneously gating the signal to extract in-phase and quadrature time samples 1 and Q representing echoes backscattered from the sample volume and generating delayed time samples 11-1 and Q t −+; At the same time, a good signal-to-noise ratio and a good signal-to-noise ratio can be achieved by processing the undelayed samples 11 and Ql and the delayed samples so as to smooth uncorrelated noise and eliminate almost all of it. means for determining, in real time, the average frequency, and therefore the frequency deviation, of said time-varying signal in real time; and means for determining the average blood velocity and displaying the velocity as a function of time. 13) In the ultrasonic device according to claim 12), the means for determining the average frequency is characterized in that Δ°C is a period between samples, i is a number of time samples, and N is a number of time samples. The numerator, D is the denominator, α is a number smaller than 1, and N1 = (1-α) N + + α (1: Qt- + Qt
1+-+) DI=(1-α) D knee t+α(1:
It−+ +Q+ Qt−4) and an ultrasound device that implements a −0th order time domain algorithm. 14) In the ultrasonic device according to claim 13), the gating means extracts time samples at a pulse repetition frequency, and the means for determining the average frequency extracts the samples only during IFJI during lean pull. An ultrasound device including means for delaying.
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